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세포간 신호전달의 비밀

기초과학지원연구원, 초저온전자현미경으로 밝혀내...세포연접채널 단백질 커넥신 31.3 구조 분석

글  김명규 기자

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세포연접채널 단백질(커넥신31.3)의 고분해능 3차원 구조 분석 영상 캡처

세포 간 소통에 관여하는 세포연접채널(cell junction channel) 단백질의 고분해능 3차원 구조가 규명됐다. 입너 성과는 한국기초과학지원연구원(KBSI), 고려대, 성균관대, 한국뇌연구원의 공동연구를 통해 이뤄졌다.
 
공동연구팀이 규명한 커넥신31.3 단백질은 닫힌 상태에서 구조가 규명됐다. 이로써 커넥신 단백질로 구성된 세포연접채널의 개폐기작을 이해하고, 세포 내 물질이동과 세포 간 신호전달 과정에 대한 후속연구에 도움이 될 것으로 보인다.
 
특히 커넥신31.3 단백질은 21종의 커넥신 단백질 중 유일하게반쪽채널(hemichannel)로서만 기능을 수행하는 단백질이다. 반쪽채널은세포에서 만들어진 물질이 동일 세포나 주변 세포에 분비되어 영향을 주는호르몬 작용과 관련이 있어 관련 분야 연구를 더욱 촉진할 것으로 기대된다.
    
일반적으로 심장의 심근세포나 신경계의 신호전달처럼 서로 다른 세포가 동일한 기능을 수행하기 위해서는 세포 사이의 신호전달이나 영양분의 교환이필요하다. 이는 세포연접채널이라는 통로를 통해 일어나며, 세포연접채널은 커넥신(connexin)이란 단백질이 결합해 만들어진다.
  
인간에게는 총 21종의 커넥신 단백질이 존재한다. 이 중 2종(Cx26,Cx46/50)의 세포연접채널은 선행연구로 3차원 구조가 규명됐다. 그러나 규명된 단백질들이 열려있는 상태의 구조를 띄고 있어 채널이 열리고 닫히는 기작을 이해하는 데는 한계가 있었다. 
 
 
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세포연접채널 단백질의 고분해능 3차원 구조. 각각의 색깔로 강조된 단백질이 커넥신31.3 단백질로 6개가 모여 통로(채널)를 만든다. 왼쪽 위는 위에서 본 모습이며 오른쪽 아래는 옆에서 본 모습. 사진=한국기초과학지원연구원
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커넥신 단백질 3차원 구조 분석에 사용된 KBSI 초저온 투과전자현미경시스템(Cryo-EM system) 장비 중 고분해능 바이오 투과전자현미경. 사진=한국기초과학지원연구원

이번 커넥신 단백질의 구조 규명을 위한 연구에는 KBSI의 선도연구장비인 초저온 투과전자현미경 시스템(Cryo-EM system)이 이용됐다. 초저온전자현미경 기법을 활용해 세계 상위 1%의 분해능에 해당하는 2.3A(옹스트롬)의 분해능으로 단백질의 3차원 구조를 규명했다. 1 옹스트롬(A또는A)은 0.1nm(나노미터)로 100억 분의 1m에 해당한다. 원자의 크기가 1A정도다.
 
초저온전자현미경 기법은 일반적인 전자현미경 분석으로 관찰이 불가능했던 단백질 등 생체시료의 구조 관찰을 위해 특별히 고안된 분석기술이다. 일반적인 전자현미경으로 생체 시료를 관찰하면 전자빔에 의해손상이 일어나 관찰할 수 없었다. 시료를 급속 동결(-196℃)해 시편을 제작해 별도의 염색이나 탈수과정 없이 전자현미경 기법으로 생체물질의 분자구조를 분석할 수 있게 됐다.
 
이번 연구성과는 기초과학분야 국제 학술지인 Science Advances를 통해 최근 공개됐다. 정형섭 기술원은 “신약개발에 있어 약물의 주요 타겟이 되는 막단백질연구가 중요하다"며 “초저온전자현미경 기법을 통해 그동안 구조분석의 난제로 여겨졌던 세포막단백질의 구조를 풀어냈는데 학술적 가치는 물론 신약 개발연구에도 큰 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

 
 

 

[입력 : 2020-11-21]   김명규 기자 more article

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